CN106597024B - 一种微加速度振动装置 - Google Patents

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Abstract

一种微加速度振动装置，包括外壳和安装于外壳内的激振组件，激振组件由磁钢、磁轭、动圈、动轴和复位弹簧组件组成，磁钢和磁轭固定，动圈和动轴固定，动圈由动圈骨架和缠绕于动圈骨架上的线圈组成，磁钢、磁轭、动圈和动轴同轴，磁钢、磁轭、动圈和动轴依次从下向上布置；复位弹簧组件设置于动轴与外壳之间，复位弹簧组件具有提供使动轴向下的预紧力的第一复位弹簧和提供使动轴向上的预紧力的第二复位弹簧；外壳的顶部设有允许动轴顶面外露的通孔，动轴的外露面作为工作台面；外壳通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上。本发明具有能有效隔离外界振动，使激振组件不受外界干扰振动的影响，同时能够提供微加速度震源的优点。

Description

一种微加速度振动装置
技术领域
本发明涉及一种电磁振动台。
技术背景
振动计量在军事、航天航空以及民用工业等技术领域中都普遍存在，目前包括美国、西欧、俄罗斯以及日本等技术发达国家都十分重视振动计量技术的发展与研究。微加速度振动装置主要是在微加速度(10-6g)范围内用于检测测振传感器的分辨率，是振动计量向微加速度方向发展的关键环节，也是计量基准向微量化发展所亟待解决的不足。常规电磁振动台中，由于追求高效地输出加速度，所以单位电流输出加速度值都较大，通过改变输入电流得到微加速度，往往要求输入的电流非常小，极大地影响了输出波形的信噪比。中国专利200520036395.7号公开了一种振动台，包括振动电机，振动台面和弹簧，其振动电机及弹簧架安装于台架与振动台面之间，振动的台面上开设有多个螺丝定位孔。这种振动台的缺点在于：当输出微加速度振动时，由于容易受到外部环境干扰等原因，输出振动加速度与电机转速有关，高频时很难得到微加速度。
发明内容
为了克服现有技术无法提供高信噪比微加速度振动的不足，本发明提出了一种能输出微加速度振动的振动发生装置。
一种微加速度振动装置，包括外壳和安装于外壳内的激振组件，激振组件由磁钢、磁轭、动圈、动轴和复位弹簧组件组成，磁钢和磁轭固定，动圈和动轴固定，动圈由动圈骨架和缠绕于动圈骨架上的线圈组成，其特征在于：磁钢、磁轭、动圈和动轴同轴，磁钢、磁轭、动圈和动轴依次从下向上布置；复位弹簧组件设置于动轴与外壳之间，复位弹簧组件具有提供使动轴向下的预紧力的第一复位弹簧和提供使动轴向上的预紧力的第二复位弹簧；外壳的顶部设有允许动轴顶面外露的通孔，动轴的外露面作为工作台面；外壳通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上。
进一步，吊装支架包含纵向支撑和水平支撑，吊装弹簧的数量为多个，吊装弹簧沿外壳的顶面均匀分布。
进一步，外壳由筒体、底盖和动轴支架组成；筒体和底盖分别与动轴支架固定，第二复位弹簧位于动轴与动轴支架之间，筒体具有顶板，允许动轴外露的通孔开设于顶板上。
进一步限定动轴支架的形状和与筒体、底盖、动轴的连接结构：动轴支架具有与筒体适配的本体，本体中空且套装于筒体内，本体的侧壁与筒体固定，本体的底面与底盖固定，本体的顶部托住第二复位弹簧。
进一步限定动轴支架与激振组件的关系：本体内设有一圈向内延伸的凸环，凸环与磁轭之间有气隙，动圈位于气隙中，凸环、磁轭、磁钢及底盖形成闭合磁路，闭合磁路在气隙中产生均匀的磁场；动圈与凸环的距离足够动圈自由振动。
进一步限定动轴的结构，以明确动轴与复位弹簧组件的关系：动轴的上部设有上轴肩，第一复位弹簧设置于上轴肩与筒体之间；动轴的下部设有下轴肩，第二复位弹簧设置于动轴支架与下轴肩之间；第一复位弹簧一端抵紧动轴的上轴肩，另一端抵紧筒体的顶板；第二复位弹簧一端抵紧下轴肩，另一端抵紧动轴支架的本体。
第一复位弹簧和第二复位弹簧均为碟形弹簧，第一复位弹簧的小端抵紧上轴肩，第二复位弹簧的小端抵紧下轴肩。
进一步，筒体和动轴支架上均设有引线孔，筒体的引线孔与动轴支架引线孔对位。
本发明的技术构思是：利用动轴支架、磁轭、磁钢及底盖形成的闭合磁路在气隙中产生磁感应强度，然后作用在线圈上，此时再向线圈提供一个恒定正弦电流，那么通电线圈便产生安培力并作用在动轴上，产生稳定的振动加速度输出。被校准传感器与动轴固定连接，接受动轴所输出的振动。同时通过吊装弹簧和蝶形弹簧的设置，使得装置可以有效隔离外界干扰并实现微加速度振动输出。
本发明的有益效果是：将激振组件和激振组件外壳通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上，有效隔离外界振动，使激振组件不受外界干扰振动的影响，同时设计选用大刚度的蝶形弹簧预紧装卡安装动轴，使得其能够提供微加速度震源,结构简单实用,操作方便。
附图说明
图1是微加速度振动台结构示意图。
图2是筒体的示意图。
图3是动轴支架的示意图。
图4是磁路图。
图5是微加速度振动台等效力学模型。
具体实施方式
参照附图1-5进一步说明本发明：
如图1所示，一种微加速度振动发生装置，包括外壳和安装于外壳内的激振组件，激振组件由磁钢12、磁轭11、动圈、动轴4和复位弹簧组件组成，磁钢12与磁轭11固定，动圈包括动圈骨架8和缠绕于动圈骨架8上的线圈10，动圈骨架8与动轴4粘接固定或者通过铆连接固定；线圈螺旋缠绕于动圈骨架上，当向线圈内通入交变电流时，在磁场的作用下，动圈组件产生沿动圈骨架轴向的安培力。
磁钢12、磁轭11、动圈和动轴4同轴，磁钢12、磁轭11、动圈和动轴4依次从下向上布置；复位弹簧组件设置于动轴4与外壳之间，复位弹簧组件具有提供使动轴向下的预紧力的第一复位弹簧6和提供使动轴向上的预紧力的第二复位弹簧7。外壳的顶部设有允许动轴4顶面外露的通孔，动轴4的外露面作为工作台面。
外壳通过吊装弹簧2悬挂于吊装支架上。吊装支架包含纵向支撑3和水平支撑1，吊装弹簧2的数量为多个，吊装弹簧2沿外壳的顶面均匀分布。
外壳包括筒体5、底盖13和动轴支架9，底盖13与磁钢12固定连接。
如图2所示，筒体5具有顶板，允许动轴4外露的通孔52开设于顶板上。筒体5上设有引线孔51。
如图1和图3所示，动轴支架9具有与筒体适配的本体91，本体91中空且套装于筒体5内，本体91的侧壁与筒体固定，本体91的底面与底盖固定，本体91的顶部托住第二复位弹簧7。动轴支架9上设有引线孔92。本体91底面均匀分布有多个螺孔，底盖13有与螺孔对位的螺钉通孔，螺钉通过螺钉通孔安装于对应的螺孔。
如图3所示，动圈支架9上设有引线孔92。动轴支架9设有向内延伸的一圈凸环93。如图1所示，动圈支架9的引线孔92与筒体5的引线孔51对位。
如图4所示，凸环93与磁轭11之间存在气隙，动圈位于气隙中，动轴支架9、磁轭11、磁钢12及底盖13形成闭合磁路，并在气隙中产生磁感应强度。动圈与凸环93的距离足够动圈自由振动。
如图1所示，动轴4的上部设有上轴肩，动轴4的下部设有下轴肩；第一复位弹簧6一端抵紧动轴4的上轴肩，另一端抵紧筒体5的顶板，第一复位弹簧6的预紧力将动轴4向下压；第二复位弹簧7一端抵紧下轴肩，另一端抵紧动轴支架9的本体91，第二复位弹簧7的预紧力将动轴4向上顶，从而对动轴4起到支撑限位的作用。当线圈10内通入交变电流时，动圈在安培力的作用下沿轴向上下振动，此时，复位弹簧组件起到为动轴4提供回复力的作用
第一复位弹簧6和第二复位弹簧7均为碟形弹簧，第一复位弹簧6的小端抵紧上轴肩，第二复位弹簧7的小端抵紧下轴肩。第一复位弹簧6和第二复位弹簧7实现动轴的预紧装卡安装，同时由于刚度较大，有利于微加速度振动的产生。吊装弹簧2使用刚度较小的柱形弹簧，起到隔振的效果。
如图1所示，吊装支架的纵向支撑3与基础14垂直，水平支撑1与基础14平行，纵向支撑3与水平支撑1固定连接。激振组件通过多根吊装弹簧2悬挂于水平支撑1上，吊装弹簧2均匀分布于筒体5顶部；筒体5顶部开设有允许动轴4向外伸展的通孔52，动轴4顶面作为放置被校准传感器A的工作台面。
水平支撑1呈圆环形，纵向支撑3沿水平支撑1的圆环面均匀分布。当然，水平支撑1也可以呈其它形状，如正方形。水平支撑1的形状不局限于本实施例的举例。
吊装支架的基础14是地面，也可以是与地面固定的基座。
本发明的技术构思：利用动轴支架9、磁轭11、磁钢12及底盖13形成的闭合磁路在气隙中产生磁感应强度，然后作用在线圈10上，此时再向线圈10提供一个恒定正弦电流，那么通电线圈便产生安培力并作用在动轴4上，产生稳定的振动加速度输出。被校准传感器A与动轴4固定连接，接受动轴4所输出的振动。同时通过吊装弹簧2和蝶形弹簧的设置，使得装置可以有效隔离外界干扰并实现微加速度振动输出。
整个振动发生装置主要受到地基14所引入振幅为Y0、角频率为ω0的干扰Y(t)以及本身产生的安培力作用。当对线圈10通电流以后，由于安培力的作用，动轴4及激振组件外壳分别受到大小相等、作用方向相反的力Fsinωt和-Fsinωt作用。忽略系统阻尼，假设吊装弹簧2的弹簧刚度之和为k′；第一碟形弹簧6和第二蝶形弹簧7的刚度之和为k；动轴4的质量为m、位移为x1；动轴4及两个蝶形弹簧以外部分的总质量为M、位移为x2。
当考虑振动发生装置仅受到地基14的作用时，可列动力学方程：
Figure BDA0001198008850000071
可得由地基14作用引入的动轴4稳态响应振幅为：
Figure BDA0001198008850000072
进一步整理得：
Figure BDA0001198008850000073
令rs＝ω0/ωs、rm＝ω0/ωm、rM＝ω0/ωM，则有：
Figure BDA0001198008850000075
由于所选用第一蝶形弹簧6和第二蝶形弹簧7的刚度均远大于吊装弹簧2的刚度，即k>>k′，且满足rm<<1，rmrM<<1，则上式可简化为：
Figure BDA0001198008850000076
对应的加速度幅值为：
Figure BDA0001198008850000077
设计ωs，使得则有
Figure BDA0001198008850000079
从而可获得较好的隔振效果，消除地基干扰影响。
当考虑动轴4受到主作用力作用时可列动力学方程：
Figure BDA0001198008850000081
可得由主作用力引入的动轴4的稳态响应振幅为：
Figure BDA0001198008850000082
由于蝶形弹簧的刚度远大于吊装弹簧2的刚度，即k>>k′，因此上式中的k′可忽略不计，则上式可简化为：
Figure BDA0001198008850000083
令
Figure BDA0001198008850000084
r1＝ω/ω1、μ＝m/M，则上式可进一步简化为：
Figure BDA0001198008850000085
对应的加速度幅值为：
Figure BDA0001198008850000086
设计时，取ω1使得r1 2<<1+μ，进而对应的加速度幅值可简化为：
Figure BDA0001198008850000087
可见，只要选用刚度k足够大的蝶形弹簧6～7，本装置便可以获得微加速度输出。
由此，本发明通过刚度较小的吊装弹簧2很好地隔离了由地基14引入的干扰，同时通过刚度很大的蝶形弹簧装卡动轴4有效地减小了在给定输入电磁作用力下输出的加速度量值。同时，通过设计振动发生装置磁路气隙磁场强度B和磁场中线圈导体长度L，即可在输入电流I时，根据安培力计算公式F＝BIL，产生激励力F，进而获得到微g量级(10-6g)的振动输出，本发明可实现微加速度振动的输出。
本发明的有益效果是:将激振组件和激振组件外壳通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上，隔离外界振动，使激振组件不受外界干扰振动的影响，同时设计选用刚度大的蝶形弹簧预紧装卡安装动轴，使得其能够提供高信噪比的微加速度震源,结构简单实用,操作方便。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种微加速度振动装置，包括外壳和安装于外壳内的激振组件，激振组件由磁钢、磁轭、动圈、动轴和复位弹簧组件组成，磁钢和磁轭固定，动圈和动轴固定，动圈由动圈骨架和缠绕于动圈骨架上的线圈组成，其特征在于：磁钢、磁轭、动圈和动轴同轴，磁钢、磁轭、动圈和动轴依次从下向上布置；复位弹簧组件设置于动轴与外壳之间，复位弹簧组件具有提供使动轴向下的预紧力的第一复位弹簧和提供使动轴向上的预紧力的第二复位弹簧；外壳的顶部设有允许动轴顶面外露的通孔，动轴的外露面作为工作台面；外壳通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上。
2.如权利要求1所述的微加速度振动装置，其特征在于：吊装支架包含纵向支撑和水平支撑，吊装弹簧的数量为多个，吊装弹簧沿外壳的顶面均匀分布。
3.如权利要求1或2所述的微加速度振动装置，其特征在于：外壳由筒体、底盖和动轴支架组成；筒体和底盖分别与动轴支架固定，第二复位弹簧位于动轴与动轴支架之间，筒体具有顶板，允许动轴外露的通孔开设于顶板上。
4.如权利要求3所述的微加速度振动装置，其特征在于：动轴支架具有与筒体适配的本体，本体中空且套装于筒体内，本体的侧壁与筒体固定，本体的底面与底盖固定，本体的顶部托住第二复位弹簧。
5.如权利要求4所述的微加速度振动装置，其特征在于：本体内设有一圈向内延伸的凸环，凸环与磁轭之间有气隙，动圈位于气隙中，凸环、磁轭、磁钢及底盖形成闭合磁路，闭合磁路在气隙中产生均匀的磁场；动圈与凸环的距离足够动圈自由振动。
6.如权利要求5所述的微加速度振动装置，其特征在于：动轴的上部设有上轴肩，第一复位弹簧设置于上轴肩与筒体之间；动轴的下部设有下轴肩，第二复位弹簧设置于动轴支架与下轴肩之间；第一复位弹簧一端抵紧动轴的上轴肩，另一端抵紧筒体的顶板；第二复位弹簧一端抵紧下轴肩，另一端抵紧动轴支架的本体。
7.如权利要求6所述的微加速度振动装置，其特征在于：第一复位弹簧和第二复位弹簧均为碟形弹簧，第一复位弹簧的小端抵紧上轴肩，第二复位弹簧的小端抵紧下轴肩。
8.如权利要求6所述的微加速度振动装置，其特征在于：筒体和动轴支架上均设有引线孔，筒体的引线孔与动轴支架引线孔对位。
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